Grundlagen der Thermodynamik: Systeme und Prozesse

1. Systeme und thermodynamische Umwandlungen

Ein thermodynamisches System ist jeder Teil des Universums, der Gegenstand einer Untersuchung ist. Die Umwelt ist der Rest des Universums außerhalb des Systems, wobei praktisch nur die Umgebung relevant ist, die sich in der Nähe des Systems befindet und mit ihm interagiert.

Die Grenzen können wie folgt sein:

• a) Real
• b) Imaginär

Ein Austausch mit der Systemumgebung kann auf folgende Weise erfolgen:

• a) Offen: Materie und Energie können mit der Umwelt ausgetauscht werden.
• b) Geschlossen: Energie kann ausgetauscht werden, aber keine Materie.
• c) Isoliert: Es kann weder Materie noch Energie mit der Umwelt ausgetauscht werden.

Eine Region stellt eine Phase dar, wenn ihre Zusammensetzung und Eigenschaften homogen sind. Systeme können wie folgt unterteilt werden: homogen (wenn nur eine Phase erscheint) und heterogen (falls das System aus mehr als einer Phase besteht).

1.2. Zustand eines Systems

Um den Zustand eines Systems zu kennen, müssen seine Zusammensetzung, sein Standort und seine Energie zu einem bestimmten Zeitpunkt bekannt sein. Als Zustandsfunktionen werden diejenigen thermodynamischen Variablen bezeichnet, deren Wert nur vom aktuellen Zustand abhängt und nicht vom Weg, auf dem dieser erreicht wurde.

1.3. Das thermodynamische Gleichgewicht

Ein System befindet sich im Gleichgewicht, wenn drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:

1. Mechanisches Gleichgewicht: Keine wahrnehmbare makroskopische Bewegung innerhalb des Systems.
2. Thermisches Gleichgewicht: Die Temperatur ist an allen Punkten des Systems gleich.
3. Chemisches Gleichgewicht: Die Zusammensetzung ändert sich nicht mit der Zeit.

Eine Umwandlung oder Änderung ist jede Variation des Zustands eines thermodynamischen Systems. Es gibt einen Anfangs- und einen Endzustand. Änderungen können reversibel oder irreversibel sein.

Weitere Möglichkeiten der Zustandsänderung:

• a) Isochor: Keine Volumenänderung.
• b) Isobar: Kein Wechsel des Drucks.
• c) Adiabatisch: Keine Wärmeübertragung zwischen System und Umwelt.
• d) Isotherm: Die Temperatur des Systems ändert sich nicht.

2. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik gewährleistet, dass in einem isolierten Zustand die Gesamtenergie erhalten bleibt. Es gibt zwei Arten von Energie:

• a) Wärme (Q)
• b) Arbeit (W)

Die Variation der Gesamtenergie eines Systems entspricht der Summe aus der Wärme und der Arbeit, die zwischen dem System und der Umwelt ausgetauscht werden.

2.2. Innere Energie

Die innere Energie ist die Summe der Komponenten eines Systems, wie die Rotation der Moleküle, Atomschwingungen usw. Sie wird durch das Symbol U dargestellt und ist als Zustandsfunktion für einen bestimmten Zustand nicht absolut berechenbar.

2.3. Enthalpie

Die Enthalpie ist eine Zustandsfunktion, ähnlich wie die innere Energie; wir können nur ihre Änderungen (Variationen) bestimmen. Die Formel lautet: H = U + pV. Daraus folgt für die Änderung: ΔH = ΔU + pΔV (bei konstantem Druck).